Systemidentifikation im Frequenzbereich

Pumpen bringen durch die Interaktion von Schaufelblättern und der Gehäusezunge im Betrieb Druckschwingungen in Rohrleitungssysteme ein. Diese treten mit einer Frequenz abhängig von der Drehzahl der Pumpe auf (Blattpassierfrequenz). Insbesondere dort, wo Pumpen mehr und mehr energieoptimal betrieben werden und so sehr variable Drehzahlen auftreten, kann es zu einer Anregung der Resonanzfrequenz der Anlage durch die Pumpe kommen. Diese führt zu Lärm und hoher Materialbeanspruchung. Aktuell hat dies oft den Einbau einer anderen Pumpe zur Folge.

Ziel dieses Projekts ist es, anhand der Baupläne der Anlage auf deren Resonanzfrequenzen zu schließen, um so die Auswahl der Pumpe zu erleichtern und in deren Regelung kritische Drehzahlen zu vermeiden. Dafür wird die Methode der Transfermatrizen genutzt. Transfermatrizen beschreiben das Übertragungsverhalten von Bauteilen im Frequenzbereich. Dabei sollen sowohl Druck und Auslenkung im Fluid als auch Auslenkungen, Kräfte und Momente in der Rohrwand berücksichtigt werde. Das Modell beinhaltet demnach die Fluid-Struktur-Interaktion. Transfermatrizen für Bauteile, welche bisher nicht analytisch hergeleitet wurden, sollen im Rahmen dieses Projektes experimentell bestimmt werden, sodass zuletzt ein Baukastensystem entsteht, aus dem beliebige Anlagen aufgebaut und auf ihre Resonanzfrequenzen untersuchtwerden können. Hierfür wird der Kreislauf im reflexionsarmen Halbraum des Lehrstuhls genutzt.

Aktive Druckwellenauslöschung in hydraulischen Anlagen und Pumpensystemen

Strömungsmaschinen in unserer alltäglichen Infrastruktur, oft Radialpumpen, erzeugen in ihrem Betrieb durch die zugrundeliegende Funktionsweise Fluktuationen und Schwingungen in Fluid und Struktur. Diese Schwingungen stehen in gegenseitiger Wechselwirkung und breiten sich mit Schallgeschwindigkeit in der Anlage aus. Als Folge werden diese Schwingungen an die Umgebung als störende Schallemission abgestrahlt und ermüden die Anlage mechanisch. Besonders im Fall der Resonanz, in dem sich die Frequenz der anregenden Schwingung mit einer Eigenfrequenz der Anlage oder einem Anlagenteil deckt, kommt es zu einer Verstärkung der Schwingung, was zum Versagen der Anlage führen kann. 

Der Lehrstuhl Strömungsmachinen befasst sich mit der Frage, ob das Prinzip der aktiven Druckwellenauslöschung (bekannt als Active Noise Control bspw. aus geräuschunterdrückenden Kopfhörern) auf Grundlage der destruktiven Interferenz zweier Drucksignale in hydraulischen Leitungssystemen angewendet werden kann. In den vergangenen Jahren 2020/21 konnte diese Frage positiv beantwortet werden. So wird im Pumpensystem des Schallmessraums mithilfe eines selbstentwickelten hydroakustischen Aktuators aktiv ein Kontrollsignal in die Druckleitung einer Blockpumpe eingespielt und die dominanten Druckschwingungen erfolgreich ausgelöscht. Dabei werden Reduktionen von bis zu 50dB erreicht. Reduktionen der Anlagenschwingung und Luftschallabstrahlung sind die Folge. Weitere Verbesserungen und die Erweiterung des Anwendungsbereiches der Druckwellenauslöschung sind Bestandteil der laufenden Forschung.  

Basierend auf der Idee der Druckwellenauslöschung in hydraulischen Anlagen wurde durch die ehemaligen Mitarbeiter Johannes Büker, Dr.-Ing. Andre Laß und Kristina Kowalski die Hydronauten GmbH gegründet, die die Druckwellenauslöschung über die Lehrstuhlgrenzen hinaus zum Einsatz bringt. 

Vergleich der Druckschallpegel ohne ANC (links) und Differenz (rechts)

Forschungspumpe mit Aktuatoren auf Saug- und Druckseite im Schallmessraum